北方某城市住宅小區(qū)既有建筑節(jié)能改造實例與節(jié)能量計算分析

蔣汶岐，楊 濤，李 闖，楊飛帆

(1.唐山曹妃甸熱力有限公司，唐山 063210；2.工大科雅(唐山)能源科技有限公司，唐山 063021；3.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山 063210；4.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

隨著城市化進程的加快，建筑能耗已經(jīng)成為社會總能耗的重要組成部分，約占社會商品總能耗的30%左右，尤其是在控制氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的今天，建筑節(jié)能已經(jīng)成為非常重要的工作任務(wù)之一[1-3]。對于北方地區(qū)，采暖能耗占據(jù)建筑能耗相當(dāng)大的比例，是建筑節(jié)能減排的主要努力方向。以北方某城市為例，大地震后的老舊建筑仍有相當(dāng)存量，采暖效果極差。2006年，唐山被選為中德技術(shù)合作“既有建筑節(jié)能改造”示范城市，經(jīng)過五年既改，累計完成節(jié)能改造項目1741萬m2，起到了良好的示范與推動效果[4-6]。2014年，唐山成為河北省率先實施75%住宅建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)(四步節(jié)能)的城市之一，開始步入住宅建筑節(jié)能的新時代。

基于上述背景，文中在新一輪中德合作項目支持下，對北方某城市A小區(qū)、B小區(qū)、C小區(qū)、D小區(qū)居住建筑進行了綜合節(jié)能改造，供暖面積共計33萬m2，并對改造前后節(jié)能效果進行了測試與計算分析，旨在為進一步規(guī)模化既有居住建筑綜合節(jié)能改造工作提供有益的參考指導(dǎo)作用。

1 既有居住建筑節(jié)能改造

1.1 改造前建筑概況

本次改造既有居住建筑項目涉及北方某城市小區(qū)A、小區(qū)B、小區(qū)C、小區(qū)D，共4個居住小區(qū)119棟建筑，這些建筑均建于1993～2002年之間，采暖室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)分別見表1-2。四個小區(qū)總建筑面積47.87萬m2，總供暖面積33.05萬m2，見表3示。所述小區(qū)建筑均，建筑圍護結(jié)構(gòu)普遍存保溫效果差、氣密性差等問題。例如，多數(shù)建筑外墻和屋面無保溫或者保溫效果差；外窗主要為單層窗，氣密性和保溫效果差；供暖系統(tǒng)普遍未安裝溫控閥，尚未按照計量收費甚至未實施分戶熱計量改造。

表1 寒冷地區(qū)采暖室內(nèi)設(shè)計主要參數(shù)

表2 寒冷地區(qū)采暖室外設(shè)計主要參數(shù)

表3 改造小區(qū)情況列表

表4匯總了改造前住宅建筑的圍護結(jié)構(gòu)主要做法和存在問題。其中，370 mm磚混結(jié)構(gòu)和內(nèi)澆外掛框輕結(jié)構(gòu)的外墻傳熱系數(shù)分別為1.99 W/(m2·K)和2.01 W/(m2·K)，鋼筋混凝土預(yù)制板屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.7 W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為5.73 W/(m2·K)。很顯然，這些住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)早已經(jīng)無法滿足當(dāng)前建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)要求。

表4 改造前建筑狀況和問題總結(jié)一覽表

續(xù)表4

序號圍護結(jié)構(gòu)改造前建筑狀況和存在的問題2屋頂結(jié)構(gòu)形式:預(yù)制混凝土板、和現(xiàn)澆混凝土板2種;做法:結(jié)構(gòu)層+SBS防水層,小區(qū)D和小區(qū)A的建筑有保溫層;破損程度:防水層基本完好,部分建筑后期維修過;存在的問題:大部分無保溫層,有保溫層的保溫效果較差。3外窗窗框形式:鐵窗、木窗、鋁合金、塑鋼四種,住戶的窗戶多更換成塑鋼窗,樓梯間以鐵窗為主;窗玻形式:99%為普通單層玻璃;窗戶層數(shù):部分臥室為雙層窗戶;存在問題:窗戶更換時施工不規(guī)范,且窗戶氣密性和保溫效果較差。4單元入戶門和樓梯間存在問題:除小區(qū)D外,其它小區(qū)均沒有安裝入戶門,樓梯間全部未做外保溫。5陽臺部分建筑的陽臺和室內(nèi)打通,原來的開敞式陽臺變成封閉式陽臺;存在問題:改造時施工不規(guī)范,陽臺窗的氣密性和保溫效果較差。6供暖系統(tǒng)系統(tǒng)形式:小區(qū)B,小區(qū)C,小區(qū)D 3個小區(qū)和草場街1#樓為雙管系統(tǒng),已做分戶熱計量改造,其余建筑為垂直單管系統(tǒng),未做分戶熱計量;散熱器:鑄鐵散熱器、鋼串片散熱器和鋼制柱形散熱器;閥門:除小區(qū)D外,其它小區(qū)供暖系統(tǒng)未安裝溫控閥;存在問題:供暖管道外保溫存在破損和缺失的情況,除小區(qū)D外,已做熱計量改造的小區(qū)未按照熱計量收費。

1.2 建筑節(jié)能改造做法

鑒于上述問題，本項目于2017年完成了4個小區(qū)住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)和供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，具體包括以下內(nèi)容：

(1)屋面保溫及防水改造：采用140 mm厚擠塑板保溫，防水層選用4 mm SBS防水層；其中擠塑板容重為30 kg/m2，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K)。

(2)外墻加保溫：外墻采用120 mm厚聚苯板薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)；其中聚苯板容重為20 kg/m2，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0423 W/(m·K)。

(3)外窗更換：將原有窗戶更換為雙玻塑鋼窗(6中透光LOW-E+12空氣+6透明)，綜合傳熱系數(shù)2.0 W/(m·K)，門窗氣密性≥6級。

(4)外門改造：單元樓宇門采用防盜保溫門(夾芯板填充60厚聚苯板)。

(5)供暖系統(tǒng)改造：對未設(shè)置分戶計量的建筑，原有供暖系統(tǒng)的散熱器數(shù)量及尺寸不變，把原有的垂直單管系統(tǒng)改造為雙管系統(tǒng)，并加裝分戶熱計量和溫控裝置。

2 建筑節(jié)能改造效果分析

2.1 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能測試結(jié)果

表5給出了各小區(qū)典型樓棟圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)測試結(jié)果，其中在連續(xù)測試期間，房間內(nèi)供暖閥門保持開啟狀態(tài)，確保室內(nèi)外的空氣溫差始終保持在15℃以上，各個測點室內(nèi)外壁面溫度之差的平均值均高于15℃。結(jié)果表明，在當(dāng)前測試條件下，改造后的建筑外墻的平均傳熱系數(shù)分布在0.46～0.81 W/(m2·K)之間，屋面的平均傳熱系數(shù)分布在0.15～0.39 W/(m2·K)之間，熱工性能得到了較為顯著的提升。此外，還以小區(qū)D為例，對建筑圍護結(jié)構(gòu)的整體氣密性能進行了測試，結(jié)果見表6。可以看出，正壓測試和負壓測試結(jié)果所計算出的常壓下平均換氣次數(shù)分布在0.42 h-1～0.73 h-1。

表5 各小區(qū)典型樓棟圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)

表6 小區(qū)D測試樓棟常壓下的換氣次數(shù)

2.2 室內(nèi)采暖溫度測試結(jié)果

研究工作于2018年2月6日-7日分別對改造后四個小區(qū)的室內(nèi)溫度效果進行了監(jiān)測，在各小區(qū)隨機抽測至少3戶，分別分布在高中低不同樓層，至少連續(xù)監(jiān)測24小時。圖1給出了各個小區(qū)住宅建筑不同區(qū)域的實測溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。可以看出，測試時段內(nèi)，在室外平均溫度-4.8 ℃～-3.8 ℃工況下，4個小區(qū)典型住戶室內(nèi)客廳和臥室的溫度分布在20～28.6 ℃之間，平均溫度分布在23.1～25.6 ℃。就整體而言，抽測的住戶室內(nèi)溫度主要分布在21～26 ℃之間，相對于改造之前的室內(nèi)平均溫度14 ℃左右，顯著改善了住戶的冬季供暖室內(nèi)舒適度。

圖1 測試時間段內(nèi)各小區(qū)不同區(qū)域溫度統(tǒng)計值

3 建筑節(jié)能量計算評估

本項目住宅建筑節(jié)能改造主要涉及圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造和供熱系統(tǒng)熱計量改造，不涉及熱源和輸送系統(tǒng)，改造前的能耗數(shù)據(jù)和運行情況相關(guān)數(shù)據(jù)無法獲得，且圍護結(jié)構(gòu)的改造不存在關(guān)停問題。因此，文中在前述圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)測試基礎(chǔ)上，采用TRNSYS軟件模擬改造前后的建筑節(jié)能量，并進行后續(xù)對比分析。

為保證改造前后模擬計算工況的一致性，改造前和改造后室內(nèi)溫度均設(shè)為20 ℃，建筑物內(nèi)部得熱按3.8 W/m2計算。供熱熱源方面，各小區(qū)供暖熱源由唐山熱電公司提供，熱源為熱電聯(lián)產(chǎn)，熱源效率為0.8，熱網(wǎng)效率為0.92，默認改造前和改造后熱網(wǎng)和熱源的效率暫時不變。外界氣象參數(shù)選取北方某城市典型年逐時數(shù)據(jù)(8 760 h)，其中冬季采暖計算溫度為-9.2 ℃，采暖期為120 d，冬季日照百分率為60%。

圖2和表5給出了改造前后各小區(qū)的建筑節(jié)能量對比情況。可以看出，改造前各小區(qū)供暖峰值負荷在76.64～81.73 W/m2之間，供暖累積負荷在450 540.00 ～472 896.00 kJ/m2，累積耗熱量為612 144.00 ～642 492.00 kJ/m2，折算為標(biāo)煤耗量為20.89～21.92 kgce/m2，改造前各小區(qū)供熱負荷及能耗均相近，最大峰值負荷與最小峰值負荷相差6%，最大耗煤量與最小耗煤量相差5%。主要是因為改造前各小區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱工性能相近，負荷差別主要由建筑戶型和構(gòu)造差別導(dǎo)致。

經(jīng)過本項目圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后，各小區(qū)供暖峰值負荷在32.89～36.76 W/m2之間，供暖累積負荷在160 992.00～189 540.00 kJ/m2，累積耗熱量為218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算為標(biāo)煤耗量為7.46～8.79 kgce/m2。由于改造后各小區(qū)外墻和屋面的熱工性能存在一定的差異，各小區(qū)節(jié)能改造后的負荷和能耗差別也更顯著，最大峰值負荷與最小峰值負荷相差11%，最大耗煤量與最小耗煤量相差15%。此外，趙靈[7]等對北方某城市25所小區(qū)住宅建筑的通斷時間面積法熱計量采暖能耗進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，建筑建造年代越近，單位面積采暖能耗越低，節(jié)能效果越好，其中磚混結(jié)構(gòu)的采暖能耗最低，框架結(jié)構(gòu)次之，框剪結(jié)構(gòu)最高，其中一步、二步、三步和四步節(jié)能建筑平均采暖能耗分別為112、103、77和49 kWh/m2。對比可知，本項目改造后的采暖能耗指標(biāo)基本可以達到三步節(jié)能水平，但是距離四步節(jié)能水平尚有一定距離[8]。

本項目圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后，節(jié)能效果最好的是小區(qū)A，節(jié)能率為64.3%，其次是小區(qū)B，節(jié)能率為63.9%，小區(qū)D改造后節(jié)能率為62.1%，小區(qū)C改造后節(jié)能率為58.2%，四個小區(qū)的平均節(jié)能率為62.1%。由此可見，本項目圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造工作，取得了比較可觀的節(jié)能效果。根據(jù)各小區(qū)典型建筑模擬結(jié)果，節(jié)能改造實施后，小區(qū)D每個供暖季可實現(xiàn)節(jié)能1 073.07 t標(biāo)準(zhǔn)煤，小區(qū)C可實現(xiàn)節(jié)能843.75 t標(biāo)準(zhǔn)煤，小區(qū)B可實現(xiàn)節(jié)能2 238.84 t標(biāo)準(zhǔn)煤，小區(qū)A可實現(xiàn)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)煤2 199.78 t標(biāo)準(zhǔn)煤。經(jīng)改造后，四個小區(qū)每個供暖季共可實現(xiàn)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)煤6 355.43 t標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50801-2013中規(guī)定的節(jié)能減排環(huán)境效益評價方法，經(jīng)過本次節(jié)能改造后，每個供暖季，小區(qū)D等四個小區(qū)可實現(xiàn)減排CO215 697.92 t，減排SO2127.11 t，減排粉塵63.55 t，減排效果顯著。

圖2 各小區(qū)節(jié)能改造效果對比圖

表5 各小區(qū)改造前和改造后的負荷及能耗計算結(jié)果統(tǒng)計表

續(xù)表5

項目名稱峰值負荷W/m2累積負荷kJ/m2累積耗熱量kJ/m2折標(biāo)煤量kgce/m2節(jié)能率小區(qū)C211改造前76.84453132.00615636.0021.01改造后36.76189540.00257508.008.7958.2%小區(qū)B205改造前76.64452412.00614664.0020.97改造后32.89163188.00221724.007.5763.9%小區(qū)A205改造前76.95450540.00612144.0020.89改造后33.29160992.00218736.007.4664.3%

4 結(jié)束語

本項目成功對北方某城市4個小區(qū)共計33萬m2住宅供暖面積進行了節(jié)能改造。改造后，各小區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能得到顯著提升，冬季累積耗熱量為218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算為標(biāo)煤耗量為7.46～8.79 kgce/m2，平均節(jié)能率為62.1%，每個供暖季可實現(xiàn)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6 355.43 t，減排CO215 697.92 t，減排SO2127.11 t，減排粉塵63.55 t，取得了良好的節(jié)能減排效果顯著，在北方地區(qū)具有積極的示范和推廣意義。